基于STM32的无人机喷洒系统

张哲深　王春达　李宁　张全禹绥化学院电气工程学院　黑龙江绥化　152061



基于STM32的无人机喷洒系统

张哲深王春达李宁张全禹
绥化学院电气工程学院黑龙江绥化152061

项目来源：黑龙江2015年省级大学生创新创业训练计划项目

【文章摘要】

介绍了一种基于STM32控制器的农田喷洒系统，通过使用新型的飞控PIX，以及改良硬件设施，对姿态角的控制，提高了无人飞行器的续航能力，简化了操作，方便农业使用，使农耕人员能在较短时间内掌握该设备的使用方法，只要选择农田环境以及设置需要的喷洒量就可以进行农田喷洒作业。

【关键词】

六旋翼无人机；飞控PIX；姿态角；直流水泵

0　前言

我国人口众多，农业在我国有着重要的地位。我国地域广阔，虫害有着较大的迁徙性和流动性，害虫的防治较为复杂，需要大量的专业农药喷洒人员。但由于农村人口流动量较大，农村人口逐年减少，难以找出较多的专业农药喷洒人员。现有农耕人员，由于缺乏农药喷洒方面的相关知识，造成农药喷洒的效果不理想，而且农耕人员在农药喷洒后不能及时清洗，对人的身体造成危害，存在安全隐患。为解决以上问题，设计了以STM32F4微型控制器为控制核心，以六旋翼无人机为载体的喷洒系统。

1　系统设计及要求

系统设计框图如图1所示。具体要求如下：

（1）控制无人机飞行高度，航速，倾斜角度等;

（2）调整农药喷洒量，喷洒速率等;

（3）将无人机周围环境的反馈量返回控制台，并将控制台处理数据交给无人机形成系统通信;

（4）无人机可以切换模式，如自稳，定高，定点，悬停，绕圈，自动等模式。

无人飞行器由于机体轻盈，容易受到周围环境的干扰，导致飞行事故。所以通过控制台接受飞行环境数据，用以调整飞行姿态。可改变模式，以应对各种不同喷洒环境，比如定高定点模式，可以使飞行器在同一平面上飞行或某一固定点悬停;绕圈模式可以使飞行器在一个圆周上飞行;自动模式则是可以按照控制台预设飞行计划飞行。

图1　系统设计框图

2　硬件部分

2.1飞行控制系统设计

飞行控制部分使用的是3DR公司生产的PIX飞行控制器，硬件部分如图2所示。MCU采用STM32F4，该控制器具有多达2MB的FLASH存储器，256KB的数据存储器以及串口总线，12位ADC等丰富资源。飞控可以拥有14路PWM。传感器采用ST公司小型L3GD20H 16 bit陀螺芯片，LSM303D 14 bit加速度/磁场芯片以及MEAS公司MS5611气压芯片。

图2　飞行控制硬件部分

L3GD20H是一个三轴角速度传感器，特点是功率低。它含有一个传感元件与一个IC接口，能够通过数据接口与外界环境检测到的角速度进行通信。使用的是CMOS设计工艺，是一种高水平集成元件，通过修正电路，根据特性制造IC接口以更好地匹配传感元件。L3GD20H为了用户能够测量贷款速率，配备了满刻度的±245 /±500 /±2000 dps。其可操作温度在零下40℃至零上85℃之间，采用LGA封装。

LSM303D上集成了三轴加速度传感器和三轴磁感应传感器，芯片尺寸小，线性加速度的测量范围在±2G到±16G之间，磁场强度测试范围从±1.3Gs到±8Gs之间，量程可以自行选择。芯片在计算能力上较为精确，功耗较低，芯片内置提供了高速与低速两种I2C串行通信方式。

2.2硬件电路模块

2.2.1电机

电机采用了战神MX3508，专为多旋翼设计的无刷电机，扁平设计，多槽极外转子无刷电机，扭矩大，效率高。电机直径：42mm，电机长度（无轴）：24mm，定子直径：35mm，定子长度：8mm，轴：4mm，重量：90，电池：3-6Cells，空载电流：0.3A，图3为电机实物图。

图3　电机实物图

2.2.2无刷电调

由于采用了无刷电机，使用了好盈乐天40A的电调，油门响应速度快，可支持刷新率高达621Hz 的油门信号，兼容各种飞控，持续输出电流40安，重量26克。

好盈乐天40A电调内部使用了NCP5106B芯片，是NMOS全桥高低端驱动器，其示意图如图2.1所示。NMOS低端驱动，即根据NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，当源极接地时，只要栅极电压达到4V左右就可以导通了。当Vgs小于一定值，也会导通，即为NMOS高端驱动，两种驱动方式可以更好的驱动电机。图4为好盈乐天40A电调内部构造原理图。

图4　电调内部构造原理图

图5　喷杆示意图

2.2.3水泵及喷杆

为了喷洒农药，要采取大功率水泵，保证喷洒压力。还要保证耗电量，以保持长时间喷洒，为此我们选择了大功率的洗车泵，压力在0.5-0.6MPa，流量4L-4.8L，电压24V，电流2.5A，满足选择要求，并且体积较小、重量较轻，方便于安装在无人飞行器上。喷杆既要满足喷洒量的需求，也要与水泵相匹配，并且结实耐用，方便安装于飞行器上。于是我们选用了不锈钢的四喷头喷杆，可以进行雾状喷洒，喷洒范围大。图5为喷杆示意图。

3　软件部分

软件部分使用的是德国KEIL公司研发的MDK开发工具。系统由STM32F4微型控制器读取外部传感器传入信息，解读姿态角，以姿态角与控制信息综合解算，传送给六个无刷电机，完成六轴无人飞行器的飞行控制。其中六轴无人飞行器的姿态角采用四元素方法获得，在打开电源正常工作的情况下，角度误差控制在2%以内，基本满足控制需求。软件流程图如图6所示。

图6　软件流程图

4　实验与结果分析

4.1实验数据

按照系统软件流程图，通过调整参数及程序，减小误差，确定了以下试验内容，测试时喷洒设为两档（实际工作模式为旋钮模式，即喷洒速度可以在两种模式中间任意变化），低速喷洒以及全速喷洒，在不同的模式下测试飞行反应时间，飞行总时长以及流量大小。

（1）低速模式，系统稳定启动后，喷洒运行20S，以此测试流量大小。数据如表1所示。

（2）全速模式，系统稳定启动后，喷洒运行20s，以此测试流量大小。数据如表2所示。

（3）系统从打开电源计时，飞行方式设为自动，用以测试飞机启动时间以及飞机飞行的极限时间。数据如表3所示。

4.2实验数据分析

低速模式中测试了三次，喷洒量按照L/ min计算平均值为0.143 L/min，全速模式中的平均值为1.49 L/min，飞机设计时使用载重量为5L的农药桶， 在低速模式中可以喷洒34.97分钟，全速模式中可以喷洒3.36分钟。按照我国农业需求，以每平方米需要12g农药为例，5KG农药即可满足417m2农田的喷洒需求。飞行器可以持续飞行大约1小时，启动时间在1分钟左右，按照低速喷洒可以中途换药桶并且能完成两次喷洒，足够满足我国农业上农药喷洒的需求。

表1　低速模式

表2　全速模式

表3　飞行测试

5　结束语

本文设计了一种基于STM32的无人机喷洒系统，实现了农业喷洒的可控性，准确性。根据调整参数可以改变流量，使用起来方便可靠，并且操作简单。通过简单地程序设计可以完成多种飞行方式，应对不同的农耕需求以及不同的地域环境。控制台设计符合人性化，未经过培训的农耕人员也可以在数小时之内掌握该系统的控制方式，并且熟练操作。

【参考文献】

[1]王双怀. 新时期我国农业发展的机遇和挑战[J]. 陕西师范大学学报：哲学社会科学版, 2003（6）:85-91.

[2]王燕路, 陈永真, 王洪宝. 降压型DC-DC变换器低端驱动的研究[J]. 辽宁工业大学学报：自然科学版, 2015（1）:16-20.

[3]孙冬梅, 田增山, 韩令军. 捷联惯导系统中四元素法求解姿态角仿真模拟[J]. 弹箭与制导学报, 2009, 29（1）:51-53.

[4]关越魏, 何波贤, 于仁清,等. 基于四元数解算陀螺仪姿态角算法的实现[J]. 电脑编程技巧与维护, 2015（9）:32-34.

【作者简介】

张哲深（1995-），男，绥化学院大学生，曾参加了全国电子设计竞赛，获黑龙江赛区大赛一等奖。

通讯作者：张全禹（1984-），男，汉，硕士，主要研究方向为电路与系统设计。